У центрі Чумацького Шляху є багато таємничих дій. Надмасивна чорна діра, яка там мешкає, є головною серед них. Але є ще одна інтригуюча головоломка: несподівана сферична область інтенсивного випромінювання гамма-променів.
Нове дослідження припускає, що темна речовина може стояти за цими викидами.
У Всесвіті існує безліч джерел гамма-променів, і більшість з них добре розуміються. Пульсари, магніти і квазари все виробляють гамма-промені. Але чи можуть вони рахувати гамма-промені, що йдуть від центру нашої галактики?
Гамма-промені є потужними. Вони є формою проникаючого електромагнітного випромінювання, що виробляється самими енергетичними явищами у Всесвіті. Вони мають найкоротші довжини хвиль будь-якого типу електромагнітного випромінювання та найвищу енергію фотонів.
Надлишок гамма-променів у центрі Чумацького Шляху відомий фізикам, і вони називають це надлишком галактичного центру (GCE.) Ми знаємо багато про Чумацький Шлях, і це знання звузило пояснення до GCE аж до дві провідні можливості: або популяція пульсарів, які швидко обертаються нейтронними зірками, або темна речовина. Фізики вважають, що якщо це темна матерія, вона існує в щільній хмарі в центрі галактики, стикаючись із собою і знищуючи себе, виробляючи гамма-промені.
У 2015 році дослідження показало, що джерелом для GCE насправді були пульсари, і темна матерія не бере участь. Це дослідження взяло команда дослідників з Прінстона та MIT, включаючи доцента фізики Трейсі Слейтьє. Вони використовували спостереження за галактичним центром, знятим за допомогою космічного телескопа Фермі Гамма, а також модель, що описує всі взаємодії Чумацького Шляху, здатні виробляти гамма-промені. Вони дійшли висновку, що пульсари несуть відповідальність.
Але, як видається, нове дослідження, в якому брали участь Слейтір з MIT, перекрило ці результати, і вказало на темну речовину як джерело всіх цих гамма-променів.
Нове дослідження має назву «Гіпотеза відродження темної матерії для надмірності Гамма-променів Галактичного центру» і опубліковане у «Фізичному оглядовому листі». Автори - Трейсі Слатьє з Центру теоретичної фізики МІТ та Ребекка Лейн зі Школи природничих наук Інституту розширених досліджень. Їх дослідження каже, що існує проблема з попередніми, і її результати недостовірні. Внесок темної матерії в GCE міг залишитися непоміченим.
Складність звуження GCE до пульсарів чи темної матерії зводиться до того, як випромінюються фотони, і до нашої технологічної здатності їх виявляти. Гамма-промені від темної речовини були б дифузними, тоді як пульсари були б більш концентрованими точковими джерелами. У 2015 році всі гамма-промені з’явились дифузно, але це могло бути тому, що точкові джерела виявляються дифузними для наших телескопів, які мають обмежене просторове дозвіл. У 2015 році дослідники дійшли висновку, що пульсари несуть відповідальність.
Чумацький Шлях більш-менш рівний, з опуклістю в центрі. Гамма-промені займають сферичну область в центрі радіусом близько 5000 світлових років. Метод, розроблений Слатьєром та її колегами у 2015 році, намагався вирішити, чи була ця сферична область “гладкою” чи “зернистою”. Їх міркування полягали в тому, що якщо пульсари є джерелом гамма-променів, то ці гамма-промені повинні зробити так, щоб сферична область виглядала зернистою. Між гамма-променями там, де не було джерел пульсару, були б темні прогалини.
Але якби гамма-промені надходили з темної матерії, то сферична область була б гладкою. "Кожна лінія зору до галактичного центру, ймовірно, має частинки темної речовини, тому я не повинен бачити жодних прогалин чи холодних плям у сигналі", - пояснив Слєтір.
Вони розробили модель, яка враховувала всю речовину і газ в Чумацькому Шляху, і всі взаємодії частинок, які могли виробляти гамма-промені. Тоді вони розглядали моделі для сферичної області GCE, які були або зернистими, або гладкими, і статистичний метод їх розрізнення. Потім вони взяли цю модель і ввели в неї фактичні спостереження космічного телескопа Фермі, щоб побачити, чи спостереження підходять до зернистого чи гладкого профілю.
Якщо спостереження вписуються в зернистий профіль, то пульсари могли б пояснити гамма-промені. Якщо вони вписуються в гладкий профіль, то темна матерія могла б пояснити їх. Зернистий профіль був надзвичайно придатним.
"Ми бачили, що вона на 100 відсотків зерниста, і тому ми сказали:" о, темна матерія не може цього робити, тому повинно бути щось інше ", - згадує Слатьєр. «Я сподівався, що це буде лише перше з багатьох досліджень регіону галактичного центру з використанням подібних методик. Але до 2018 року основними перехресними перевірками методу все ще були ті, які ми зробили у 2015 році, і це мене нервувало, що ми могли щось пропустити ».
Врешті-решт Слатьє та Лейн вирішили випробувати модель. Слейтір був стурбований тим, що це може бути недостатньо надійним. Вони вирішили створити "підроблену" карту неба, включаючи сигнал темної матерії та пульсари, які не були пов'язані з GCE. Вони подали його в модель, і хоча їхні дані містили фальшивий сигнал темної речовини, модель зробила висновок, що вона зерниста, а тому переважає пульсар. За словами Слєтьє, це було доказом того, що їх модель не була дурною і що ще є можливість для темної матерії відігравати роль у GCE.
"Якщо це справді темна речовина, це було б першим свідченням взаємодії темної матерії з видимою речовиною за допомогою інших сил, крім сили тяжіння".
Ребекка Лейн, співавтор, Школа природничих наук, Інститут підвищення кваліфікації.
Тоді колега запропонував дослідникам додати фальшивий сигнал темної матерії у поєднанні з реальними спостереженнями Фермі, щоб перевірити їх модель замість фальшивої фонової карти.
Вони так і зробили, і їх статистична модель пройшла тест. Незважаючи на сигнал гладкої темної речовини, модель повернула зернистий результат, домінуючи пульсар. Вони підкрутили сигнал темної матерії до чотирьохкратного розміру фактичного GCE, і все ж їх модель не змогла його виявити.
"На той момент я був дуже схвильований, тому що знав, що наслідки дуже великі - це означало, що пояснення темної матерії знову на столі", - каже Лейн.
Якщо ці новітні результати правильні, то це вже велика справа.
"Якщо це справді темна речовина, це було б першим свідченням взаємодії темної матерії з видимою речовиною за допомогою інших сил, крім сили тяжіння", - говорить Лейн. «Природа темної матерії - одне з найбільших відкритих питань фізики на даний момент. Ідентифікація цього сигналу як темної матерії може нам остаточно розкрити фундаментальну ідентичність темної матерії. Незалежно від того, яким буде надлишок, ми дізнаємось щось нове про всесвіт ».
"Це захоплююче тим, що ми думали, що ми усунули можливість того, що це темна справа", - сказав Слейтір у прес-релізі. "Але зараз є лазівка, систематична помилка в заяві, яку ми зробили. Він знову відчиняє двері для отримання сигналу від темної матерії ».
Цей новий результат опублікований у журналі "Physical Review Letters" 11 грудня.
Більше:
- Прес-реліз MIT: Чи є темна речовина в центрі Чумацького Шляху?
- Дослідницький документ: Гіпотеза відродження темної матерії для надмірності Галактичного центру Гамма-Рей
- Вікіпедія: Слабо взаємодіючі масивні частинки (WIMP)
